Question

Почему твёрдые тела расширяются при нагревами

Answer 1

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную:

ΔL = αLΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Answer 2

Твёрдые тела расширяются при нагреве из-за изменения их внутренней структуры на микроуровне. Когда тело нагревается, его молекулы и атомы получают больше энергии и начинают двигаться более интенсивно. Это приводит к увеличению расстояния между молекулами или атомами, что, в свою очередь, вызывает увеличение размеров тела в объеме.

При нагреве тело может расширяться в три измерения:

1. Линейное расширение: Все направления внутри твёрдого тела могут претерпевать линейное расширение. Это происходит вдоль всех трех осей (длина, ширина, высота) и вызывает увеличение линейных размеров тела.

2. Площадное расширение: При площадном расширении изменяется площадь поверхности тела, но его толщина остается прежней. Это происходит, например, в пластинках или листовых материалах.

3. Объемное расширение: Когда тело расширяется во всех трех измерениях, происходит объемное расширение. Объем тела увеличивается за счет увеличения всех его линейных размеров.

При охлаждении тело, наоборот, сжимается, поскольку молекулы и атомы получают меньше энергии и двигаются менее активно, что приводит к уменьшению расстояния между ними.

Этот эффект термического расширения является фундаментальным свойством материалов и играет важную роль во многих технических и инженерных приложениях. Учет термического расширения необходим, например, при проектировании строительных конструкций, создании мостов, дизайне судов, а также при разработке различных систем, где точные размеры играют важную роль.